第 2章 串级控制系统

第二章串级控制系统
2.1 概述
2.2 串级控制系统的实施
2.3 串级控制系统的投运和整定2.4 串级控制系统的特点
2.5 串级系统副回的设计
2.1概述
一、串级控制系统的基本原理及结构v举例：
TC TC
FC
串级控制系统方案(温度---流量)TC
FC 流量控制器温度变送器流量变送器
温度对象
控制阀
温度控制器流量对象
串级控制系统：用两台控制器相串接，一个控制器的输出
作为另一个控制器的输入。

方框图标准形式如下：
二、常用名词：
v主被控变量（主参数、主变量）Y1(S) v副被控变量（副参数、副变量）Y2(S) v主控制器G c1(S)
v副控制器G c2(S)
v主回路（主环）：定值系统
三、串级控制系统的工作过程
1）、干扰作用于副环
（副控制器起“粗调”，
主控制器起“细调”）
2）、干扰作用于主环（蒸汽量随温度控制的要求随时改变）
3）、干扰同时同时
和副环
a.作用方向相同
b.作用方向相反
分析温度---流量串级控制系统
设：控制阀为气开，温度和流量两控制器选为反作用，
1）干扰作用于副环
v蒸汽压力↑→FT↑→FC↓(反作用)→FV↓(气开阀)
FT↓
FT的变化对精馏塔塔釜温度的影响就很小，并
且可由温度控制器进行微调。

2）干扰作用于主环
v干扰使得TT↑→TC↓(反作用)→FC↓→FV(气开阀)↓T↓←F↓
由于有主副两个控制器相串联，系统总的放大倍数将增大，工作频率提高克服干扰的大大增大。

3）干扰同时同时主环和副环
a.作用方向相同
v干扰同时使TT↑→TC↓(反作用)→FC↓(反作用)
FT↑→FC↓(反作用) FV
F
b.作用方向相反
v干扰作用使TT↑→TC↓(反作用)→FC↓(反作用)
FT↓→FC↑(反作用) FV变化很小蒸汽流量F变化不大
2.2 串级控制系统的实施
选择实施方案时，需考虑的问题：
1）、所选用的仪表信号必须匹配。

2）、所选用的副控制器必需具有外给定输入接口。

3）、在选择实施方案，应考虑是否增加一只切换开关，作“串级”与“主控”的切换之用。

4）、实施方案应力求实用，少花钱多办事。

5）、实施方案应便于操作。

一、用电动Ⅲ型仪表构成串级控制方案
串级控制一般方案：主变送器
主控制器副控制器
副变送器安全栅
记录仪安全栅安全栅电气转换器Sp.
精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统的组成
TR/FR
TN
FY 1TC
TT
TE FT FE
FC FV FY 2
FN 1FN 2TT
孔板
开方器
记录仪控制器
变送器
安全栅
热电偶
控制器
差压变送器
安全栅
安全栅
控制阀
电气转换器
mV
mV
4~20mA 1~5V
1~5V
1~5V
1~5V
4~20mA
4~20mA
4~20mA
4~20mA
20~100KPa
Δp
能实现主控—串级切换的串级方案：
主变送器主控制器
副控制器
副变送器安全栅记录仪
安全栅安全栅
电气转换器
Sp.
主控
串级
在串级与主控切换过程中，必须考虑去控制阀的控制信号方向的一致性，也就是组成的控制系统必须是负反馈控制系统，这就是串级与主控直接切换的条件。

只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间直接切换。

如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控制器的正反作用；而当由主控切回到串级时，又必须将主控制器恢复到原来的作用型式。

（P67）
二、串级控制系统的实施
1. 主、副控制器的控制规律的选择
（1）控制规律的选择根据控制要求进行
主变量是生产工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量或生产的安全，工艺上要求比较严格，主变量不允许有余差。

副变量要求不严格，允许有波动和有余差，设置副变量的目的在于保证和提高主变量的控制质量。

（2）主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。

保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用，因此采用PI或PID。

（3）副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器一般不用积分作用，微分作用也不需要，采用比例作用。

v关于主控制器、副控制器采用积分作用时：（1）只有当主控制器采用具有积分作用的控制器时，不论干扰在副回路还是主回路，都能保证主变量无余差。

（2）当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时，只有干扰作用于副回路，主变量无余差；干扰作用于主回路，主变量仍然存在余差。

v主控制器：PI、PID
v副控制器：P、PD（副对象的容量滞后T较大）
2. 主、副控制器正反作用的选择。

v主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。

（1）副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。

副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用。

（2）主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。

副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性相反。

例1. 确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压力串
级控制系统主、副控制器的正反作用。

副环：控制阀应选气开（正特性）→副对象放大倍数为正特性→副变送器放大倍数为正特性→副控制器应为负特性（选反作用）。

主环：主对象放大倍数为正特性→主控制器应选反作用（主控制器放大倍数应取主对象放大倍数的特性符号的相反数）
TC
PC
控制阀：气开阀，+
副对象：+
主对象：+
副控制器特性为-，应为反作用主控制器特性为-，应为反作用
例2.氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统主、副控制器的正反作用
FC
TC
空气
氨气
混合
氧化炉
预热
G O1(S): +G O2(S): +
G V (S): +
G C2(S): -G C1(S): -
气开
840 ±5 ℃
氨气流量变化1%，氧化炉温度改变64℃
TC ：反作用FC ：反作用
小结
2.3 串级控制系统的投运和整定
2.3.1 串级系统的投运
2.3.2 串级系统的工程整定方法
2.3.1 串级系统的投运
一、系统的投运
投运的原则：
（1）投运顺序先投副环，后投主环。

（2）无扰动切换预置给定等于测量。

特别说明：投运过程中应切除微分作用
二、串级系统的工程整定方法
1. 两步法（先副环后主环的方法）
1）在主副回路闭合时，将主控制器δ置100%、Ti 置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副环，找出副变量出现4:1振荡过程的比例度记录下δ2s 及振荡周期T 2s 。

2）、将副控制器置δ2s 、Ti 置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定主环，找出主变量出现4:1衰减振荡过程的比例度记录下δ1s 及振荡周期T 1s 。

3）、根椐得到的δ1s 、T 1s 、δ2s 、T 2s 值，结合主、副控制器的选型，按单回控制系统整定计算公式，可以计算出主、副控制器的δ、Ti 、Td 。

4）、将计算所得参数按先副环后主环、先比例再积分后微分的顺序在控制器上放好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地进行一些微小的调整。

2.一步法：
根据经验先将副控制器参数一次放好（如下表），不再变动，然后按一般单回路系统整定方法，直接整定主控制器参数。

在整定过程中以牺牲副参数的质量指标的原则（副参数在允许的范围内），使主参数达到规定的质量指标的要求。

5～1.25
20～80液位3～1.430～70压力
2.5～1.255～1.740～80流量
20～60温度
副控制器比例放大倍数Kc2副控制器比例度δ2%变量类型
2.4 串级控制系统的特点串级控制系统的特点：
1、由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率提高。

2、串级控制回路具有较强的抗干扰能力。

3、串级控制系统具有一定的自适应能力。

(1)由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率提高。

)()()()(1)()(2222'
2
S G S G S G S G S G S G v c m o o o +=G C2(S)R(S)-G C1(S)G v (S)
G m1(S)G o1(S)Y 2(S)
Y 1(S)
G ’O2(S),)(,1)(,)(,)(2222222m m o o o v v c c K S G S
T K S G K S G K S G =+===根据副回路各环节传递函数分别为：
2
222'22
222'2'2'222222'21111)(m o v c o o m o v c o o o o O M O V c o o K K K K T T K K K K K K S
T K S T K K K K K s G +=+=+=++=
v由于1+K c2K v K o2K m2>1,
K’o2<K o2
T’o2<T o2
等效副对象时间常数缩小，意味着对象的容量滞后减小，系统的反应速度加快，控制更为及时，系统的控制质量提高。

等效副对象的放大倍数减小，导致控制通道的放大倍数缩小，克服干扰能力下降，可通过提高主控制器的放大倍数的办法来弥补。

等效副对象时间常数缩小，系统的工作频率可获得提高，操作周期缩短，过渡过程的时间缩短，控制质量提高。

(2)串级控制系统具有较强的抗干扰能力
串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强得多，特别是当干扰作用于副回路时，系统的抗干扰能力更强。

v1）对进入副回路的干扰，经过副控制器的“粗调”和主控制器的“细调”。

v2）对进入主回路的干扰，由于副回路的存在，等效副对象的时间常数缩小，系统的工作频率提高，系统的响应速度加快，比单回路控制系统更及时对干扰采取抑制。

G C1(S)G m1(S)G O1(S)R(S)-F 2 (S)
G ’f2(S)G ’o2(S)
c 2c 1u 1
)()()()(1)()()()()()()()(1)()()()()()(222222'
2
2222212'2S G S G S G S G S G S F S C S G S G S G S G S G S G S G S G S U S C S G
m o v c f f m o v c v o c o +==+==)()
()()()(1)()()()()()()(222222'222
22S F S G S G S G S G S G S F S G S C S F S G S C m o v c f f f +===若无副回路作用时，c 2与f 2的关系
为：有了无副回路作用时，c 2与f 2的关系为：
也就是说,F 2对C 2的影响，在有副回路的作用已
减弱为1/（1+
）倍。

)()()()(222S G S G S G S G m o v c
(3)串级控制系统具有一定的自适应能力。

v
串级控制系统中住回路是一个定值系统，副回路是一个随动系统，主控制器能够根据操作条件和负荷的变化，不断修改副控制器的给定值，以适应操作条件和负荷变化的情况。

v 如对象存在非线性特性，可把非线性对象设计处于副回路之中，当操作条件或负荷发生变化时，副回路的稳定裕度会降低，但对主回路的稳定性影响很小。

K o21+K c2K v K o2K m2K ’02=1K c2K v K m2≈G C2(S)R(S)-G C1(S)G v (S)
G m1(S)G o1(S)Y 2(S)
Y 1(S)
G ’O2(S)等效副对象的放大倍数为：
2
222222222222222222222222221,11
)()(,1
)(,)(,)()
()()()(1)()()()(m o v c o m o v c o v c m m o o o v v c c m o v c o v c K K K K T T K K K K K K K K S T K S G K S G S T K S G K S G K S G S G S G S G S G S G S G S G S G +=+=+==+===+=令则
当副控制器的放大倍数整定得足够大时，副环前向通道的放大倍数将远大于1，即
K c2K v K o2K m2>>1。

这时K2≈1/K m2 ，等效副回路的
放大倍数只取决于测量变送环节的放大倍数K
m2，
而与副对象的放大倍数K
o2
无关。

小结
2.5 串级系统副回的设计
v副回路设计是根据生产工艺的具体情况，选择一个合适的副变量，从而组成一个以副变量为被控变量的副回路。

串级控制系统副回路的设计原则：（1）使系统中主要干扰包含在副环内。

（2）在可能情况下，应使副环包含更多一些的干扰。

（3）当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。

（4）当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。

（5）副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。

（6）所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。

举例：加热炉出口温度的控制
主要干扰：
1.燃料气压力
2.燃料气热值
3.燃烧效果
4.环境温度
5.原油流量
6.原油温度
T
1
C
T
2
C
燃料
原油
TC PC
燃料
原油
作业v#1，#7，#8，#9。